CO2泡沫流度控制剂SH-1的性能研究

裘 鋆，何秀娟，高 磊，沈之芹，何良好，李应成

(中国石化 上海石油化工研究院 中国石油化工集团公司三采用表面活性剂重点实验室，上海 201208）

CO2泡沫流度控制剂SH-1的性能研究

裘 鋆，何秀娟，高 磊，沈之芹，何良好，李应成

(中国石化 上海石油化工研究院 中国石油化工集团公司三采用表面活性剂重点实验室，上海 201208）

采用高温高压泡沫评价装置对自制的发泡剂SH-1进行CO2泡沫性能的测试，考察了SH-1在不同压力、温度、矿化度及用量下的CO2泡沫性能，并研究了SH-1用量、注入速率和泡沫质量对CO2泡沫封堵能力的影响。实验结果表明，矿化度和压力的增加，有利于泡沫性能的增强；随温度的升高，泡沫稳定性降低；随SH-1用量的增加，泡沫半衰期呈先增大后减小的趋势。在SH-1用量为0.30%（w）、注入速率为2 mL/min、泡沫质量为80%（φ）时，SH-1的阻力因子达184的峰值，是一种优良的CO2流度控制剂，具有较好的应用前景。

二氧化碳泡沫；流度控制剂；二氧化碳驱；发泡剂

CO2驱是应用于复杂油藏提高采收率的最有效方法之一［1-2］。但由于注入CO2的黏度远小于地下原油的黏度，导致流度比过大，造成气驱过程中的黏性指进和气窜现象，降低采油量［3-6］。因此，如何控制CO2流度是影响CO2驱提高采收率效果的关键因素。鉴于泡沫具有“堵大不堵小”、“堵水不堵油”的智能调控特性，用泡沫来实现控制CO2流度的技术受到广泛关注［7-8］，而泡沫流度控制剂的设计与合成是该技术的核心。

非离子表面活性剂（如烷基酚聚氧乙烯醚）具有耐电解质、对pH不敏感、界面活性高等优点，但由于其不带电荷，静电斥力小，使得分离压较小，不利于泡沫稳定［9］，同时由于浊点的限制，也使其不能应用于高温条件［10-11］；甜菜碱型表面活性剂具有良好的表、界面活性，结构稳定，其泡沫性能受pH的影响不大。

本工作结合非离子型和甜菜碱类表面活性剂的优点，采用高温高压泡沫评价装置对自制的含有非离子片段的甜菜碱型表面活性剂SH-1进行CO2泡沫性能的测试，考察了在不同压力、温度、矿化度及SH-1用量下的泡沫性能，并研究了SH-1用量、注入速率和泡沫质量对CO2泡沫封堵能力的影响。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

非离子型表面活性剂（脂肪醇聚氧乙烯醚C12EO23和C17EO25）：亨斯曼化工有限公司；阴非离子型表面活性剂（壬基酚聚氧乙烯醚羧酸钠OP10C，TX10C，OP15C，OP20C）：自制；氯化钠、氯化钙、氯化镁：分析纯，国药集团化学试剂有限公司；表面活性剂烷基酰胺甜菜碱SH-1：自制，合成路线见文献［12］。

PMP-IV型高温高压泡沫性能评价装置：江苏华安科研仪器有限公司；高温高压泡沫封堵能力测试装置：江苏华安科研仪器有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 CO2泡沫性能的测试方法

采用高温高压泡沫性能评价装置进行CO2泡沫性能的测试。向高压釜中加入一定量150 mL的泡沫剂溶液，并记录液面高度，然后开启泡沫仪控温装置，加热至釜内温度到设定温度，向高压釜中通入CO2达到预定压力，开启搅拌装置，搅拌转速2 000 r/min，搅拌时间1.5 min，搅拌停止后开始计时，并记录泡沫高度（h），即泡沫剂发泡高度，通过视窗记录泡沫高度随时间的变化，记录泡沫高度剩下一半时所用时间，即为该条件下泡沫的半衰期（t1/2）。

1.2.2 CO2泡沫封堵能力的测试方法

CO2泡沫封堵能力测试步骤为：1）用石英砂填制填砂管，记录填砂管物性参数；2）抽真空，饱和地层水，测量吸水重量，计算孔隙体积和孔隙度；3）测定填砂管原始水相渗透率；4）以一定注入速度注入地层水，至压力稳定后，记录模型两端压差；5）先注入泡沫剂0.1 PV（PV孔隙体积），然后以一定速度交替注入泡沫剂溶液和CO2段塞驱替，记录实验过程中注入的气液体积数和进出口端压力。

评价CO2泡沫的封堵能力的指标主要采用泡沫相对流动性（λrfoam）和阻力因子（R），其定义式分别见式（1）和式（2）。

式中，Q为体积流速，cm3/s；S为流过的横截面积，cm2；Δp为填砂管前后端压差，MPa；k为绝对渗透率，μm2；L为流过的长度，cm；Δpfoam为注泡沫过程中填砂管前后端压差，MPa；Δpwater为注水过程中填砂管前后端压差，MPa。

2 结果与讨论

2.1 CO2泡沫性能

2.1.1 不同类型发泡剂的CO2泡沫性能

7种发泡剂的CO2泡沫性能见表1。

表1 不同类型发泡剂的CO2泡沫性能Table 1 CO2-foam properties with different foaming agents

从表1可看出，乙氧基（EO）数从10增加到20，阴非离子表面活性剂的泡沫性能逐渐减弱，这是由于EO链的增加，使临界堆积参数减小，从而降低泡沫性能。SH-1在80 ℃、10 MPa、矿化度为11.6×104mg/L（钙离子3 000 mg/L、镁离子2 000 mg/L）的条件下，起泡高度14.1 cm，半衰期88 min，其泡沫性能明显优于单一非离子型和阴非离子型表面活性剂，这是由于非离子型表面活性剂的分离压较低，泡沫性能不佳；另外，在CO2介质中，体系呈酸性，羧酸型阴非离子表面活性剂呈羧酸形式，大大降低了其溶解性，从而影响泡沫性能。Harrison等［13］提出的亲水-亲CO2平衡值（HCB）概念见式（3）。

式中，A为基团间的相互作用势能，kJ/mol；其中，下标H为表面活性剂亲水基，C为CO2，W 为水，T为表面活性剂疏水链。

当HCB大于1，且越接近于1时，泡沫性能最佳。由于CO2低的极化率和介电常数，使表面活性剂与其相互作用较弱，ATC过小，导致HCB远大于1，不利于泡沫的稳定性［14-15］，而SH-1引入的EO、丙氧基片段能与CO2发生Lewis酸碱相互作用，使ATC值增大，从而增强亲水-亲CO2平衡，增强泡沫性能，且SH-1为甜菜碱型表面活性剂，对pH不敏感，酸性条件对其影响较小。

2.1.2 矿化度对CO2泡沫性能的影响

不同矿化度的盐水性质见表2。矿化度对CO2泡沫性能的影响见图1。由图1可看出，SH-1在不同矿化度下均具有良好的泡沫性能，随溶液矿化度的增加，起泡性能和稳泡性能均明显增强，且表现出良好的耐二价离子的性能。这是由于一方面矿化度的增加使表面活性剂在水中的溶解度减小，AHW减小，增强了亲水-亲CO2平衡，从而增强泡沫性能；另一方面在CO2介质中，在压力15 MPa、体系pH =3～4时，略低于甜菜碱的等电点，此时的甜菜碱呈阳离子表面活性剂特性，其—COOH基团与钙、镁离子能形成搭桥现象，从而提高泡沫稳定性。因此，发泡剂SH-1具有良好的耐盐性能，尤其适用于高矿化度的油藏。

表2 不同矿化度的盐水性质Table 2 Brine with different salinity

图1 矿化度对CO2泡沫性能的影响Fig.1 Effects of salinity on the properties of CO2foam. Reaction conditions：80 ℃，15 MPa，SH-1 0.15%(w).

2.1.3 压力对泡沫性能的影响

压力对CO2泡沫性能的影响见图2。从图2可看出，随着压力的升高，CO2泡沫的起泡能力和稳泡能力均明显增强。这是由于随着压力的升高，CO2从气态转变成超临界状态，在超临界状态下CO2密度增大，增强了表面活性剂与CO2的相互作用，ATC值增大，从而增强了亲水-亲CO2的平衡，泡沫性能增强，形成的CO2泡沫更加致密。

图2 压力对CO2泡沫性能的影响Fig.2 Effects of pressure on the properties of CO2foam. Reaction conditions：80 ℃，SH-1 0.15%(w)，brine b.

2.1.4 温度对泡沫性能的影响

温度对CO2泡沫性能的影响见图3。从图3可看出，随着温度的增加，CO2泡沫起泡能力变化不大，泡沫稳定性降低。这主要是由于温度升高，CO2密度减小，与表面活性剂的相互作用减弱，破坏了亲水-亲CO2平衡，泡沫性能减弱。另外，温度的升高使分子运动加快，液膜表面黏度 和表面弹性降低，液膜变薄，减弱了液膜强度，泡沫的破裂速度加快，CO2泡沫性能下降。

图3 温度对CO2泡沫性能的影响Fig.3 Effects of temperature on the properties of CO2foam. Reaction conditions：15 MPa，brine b，SH-1 0.15%(w).

2.1.5 SH-1用量对泡沫性能的影响

SH-1用量对CO2泡沫性能的影响见图4。由图4可看出，SH-1用量低于0.15%（w）时，泡沫的半衰期明显增加，当SH-1用量超过0.15%（w）时，半衰期随用量的增大而减小。在SH-1用量（w）从0.1%增至0.3%时泡沫起泡量基本不变。用量低时，增加用量，使SH-1表面吸附量增大，泡沫的稳定性增强；当用量继续增大时，表面活性剂分子从溶液内部扩散到界面的速率加快，表面活性剂分子通过Marangoni 效应修复界面膜的能力减弱，泡沫稳定性降低［16］。

图 4 SH-1用量对CO2泡沫性能的影响Fig.4 Effects of SH-1 dosage on the properties of CO2foam. Reaction conditions：80 ℃，15 MPa，brine b.

2.2 CO2泡沫封堵能力评价结果

开展CO2泡沫在岩心中的流动实验，评价发泡剂SH-1在CO2驱中的流度控制性能，以λrfoam和R来表示。

2.2.1 SH-1用量的影响

SH-1用量对CO2泡沫封堵能力的影响见图5和图6。

图5 不同SH-1用量下CO2泡沫相对流动性和阻力因子随注入PV倍数的变化Fig.5 CO2-foam mobility(λrfoam) and resistance factor(R) vs. injection pore volume(PV) multiple under different SH-1 dosage. Reaction conditions：80 ℃，20 MPa，gas liquid volume ratio 1∶1，injection rate 2 mL/min.SH-1 content(w)/%：■ 0.15；● 0.30；▲ 0.45

油藏注入水的矿化度（TDS）为23.7×104mg/L，钙镁离子质量浓度4 138 mg/L。填砂管模型尺寸φ38 mm×1 000 mm，渗透率240×10-3μm2，孔隙体积560 mL，注入方式为SH-1溶液段塞与CO2段塞交替注入，段塞体积0.05 PV，气液体积比1∶1，注入速率2 mL/min，SH-1用量（w）分别为0.15%，0.30%，0.45%，总注入量为0.9 PV，记录各阶段模型两端压差，结束后开展后续水驱。

图6 不同SH-1用量下0.9 PV时的阻力因子Fig.6 Resistance factor at 0.9 PV under different SH-1 dosage. Reaction conditions referred to Fig.5.

从图5可看出，随着发泡剂溶液的不断注入，阻力因子变大，CO2泡沫的相对流动性明显下降，说明CO2流度得到了有效的控制。

从图6可看出，SH-1用量（w）从0.15%升至0.45%时，0.9 PV时的阻力因子先增大后减小，当SH-1用量为0.30%（w）时，CO2泡沫封堵效果最佳。因此，在后续实验中SH-1用量采用0.30%（w）较适宜。

2.2.2 注入速率的影响

注入速率对CO2泡沫封堵能力的影响见图7和图8。从图7可看出，在不同的注入速率下，CO2泡沫的相对流动性均有明显下降，同时阻力因子增大，说明CO2泡沫有良好的封堵效果。

图7 不同注入速率下CO2泡沫的相对流动性和阻力因子随注入PV倍数的变化Fig.7 CO2-foam mobility and resistance factor vs. injection PV multiple under different injection rate. Reaction conditions：80 ℃，20 MPa，gas liquid volume ratio 1∶1，SH-1 0.30%(w). Injection rate/(mL·min-1)：■ 1；● 2；▲ 3

图8 不同注入速率下0.9 PV时的阻力因子Fig.8 Resistance factor at 0.9 PV under different injection rate. Reaction conditions referred to Fig.7.

从图8可看出，当注入速率增加时，0.9 PV时的阻力因子呈先增大后减小的趋势，当注入速率为2 mL/min时，CO2泡沫封堵能力最佳。这是因为当注入速率过小时， 减弱了泡沫在岩心中的二 次发泡能力，不利于泡沫在岩心中的稳定，当注入速率过快时，气液两相滑脱效应较强，易造成气体单向指进突破，导致采出端气窜，降低泡沫的封堵能力，因此选择最佳的注入速率可提高CO2泡沫的封堵能力。

2.2.3 泡沫质量的影响

泡沫质量是指泡沫中所含气体的体积分数，在多孔介质驱替中常用注入泡沫质量来表示［12］，其定义式见式（4）。可通过改变不同的注入气液比得到不同的泡沫质量。

式中，fg为注入泡沫质量，%；vg为气体注入速率，mL/min；vl为液体注入速率，mL/min。

泡沫质量对CO2泡沫封堵能力的影响见图9和图10。从 图9可看出，在不同的泡沫质量下，CO2泡沫的相对流动性均有明显下降，阻力因子增大，说明SH-1有良好的封堵效果。

图9 不同泡沫质量下CO2泡沫的相对流动性和阻力因子随注入PV倍数的变化Fig.9 CO2-foam mobility and resistance factor vs. injection PV multiple under different foam quality. Reaction conditions：80 ℃，20 MPa，injection rate 2 mL/min，SH-1 0.30%(w).Foam quality：volume fraction of gas in the foam. Foam quality/%：■ 50；● 67；▲ 80

从图10 可知，泡沫质量从50%增加到80%，0.9 PV时的阻力因子逐渐增大，这是因为随着泡沫质量的增加，泡沫黏度随之增大，从而增大了波及系数，有利于提高泡沫封堵能力。在泡沫质量为80%时，SH-1的阻力因子达到184的峰值。

图10 不同泡沫质量下0.9 PV时的阻力因子Fig.10 Resistance factor at 0.9 PV under different foam quality. Reaction conditions referred to Fig.9.

3 结论

1）SH-1在80 ℃、10 MPa、矿化度11.6×104mg/L条件下，起泡高度为14.1 cm，半衰期为88 min，相较单一非离子和阴非离子型表面活性剂，具有更为优良的泡沫性能。

2）矿化度和压力的增加，有利于泡沫性能的增强；随温度的升高，泡沫稳定性降低；随SH-1用量的增加，泡沫半衰期呈先增大后减小的趋势。

3）在SH-1用量为0.30%（w）、注入速率为2 mL/min、泡沫质量为80%时，SH-1的阻力因子达到184的峰值，是一种优良的CO2流度控制剂，具有较好的应用前景。

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（编辑 平春霞）

Study on the mobility control agent SH-1 for CO2foam

Qiu Jun，He Xiujuan，Gao Lei，Shen Zhiqin，He Lianghao，Li Yingcheng
（Sinopec Key Laboratory of Surfactants for Enhanced O il Recovery，Shanghai Research Institute of Petrochemical Technology，Shanghai 201208，China）

The performance of a betaine-based CO2foaming agent(SH-1) were investigated in high pressure and high temperature foam evaluation device under different pressure，temperature，salinity and dosage. The inf l uences of SH-1 dosage，injection rate and foam quality on the CO2foam plugging ability were researched. The experimental results showed that，the foam performance was enhanced with increasing the pressure and salinity，while the foam stability decreased with temperature rise. The foam half-life fi rstly increased and then decreased with increasing the SH-1 dosage. The resistance factor of SH-1 reached maximum 184 under the conditions of the SH-1 dosage 0.30%(w)，injection rate 2 mL/min and foam quality 80%(φ). It was indicated that SH-1 was an excellent agent for controlling CO2mobility and had good application prospect in the CO2fl ooding fi eld.

carbon dioxide foam；mobility control agent；carbon dioxide fl ooding；foaming agent

1000-8144（2017）01-0090-07

TE 357.4

A

10.3969/j.issn.1000-8144.2017.01.013

2016-07-12；［修改稿日期］2016-09-27。

裘鋆（1986—），女，浙江省嵊州市人，硕士，工程师，电话 021-68462197-6604，电邮 qiuj.sshy@sinopec.com。

国家自然科学基金项目（91434104 ）。